过渡金属硫化物/碳化聚丙烯腈复合材料的制备方法技术

过渡金属硫化物/碳化聚丙烯腈复合材料的制备方法，属于材料制备技术领域，先将过渡金属单质和硫与聚丙烯腈混合后压片，然后再将片状混合物真空密封于石英管中，在温度环境为600～1000℃的条件下反应24～72小时，取得过渡金属硫化物/碳化聚丙烯腈复合材料。该方法能够在合成过渡金属硫化物的同时得到碳材料，有利于过渡金属硫化物与碳材料的紧密结合，从而提高其在应用领域的相关性能。此外，该方法简单易操作，适合大批量生产，对设备的要求更接近于工业化应用的需求。

Preparation method of transition metal sulfide / carbonized polyacrylonitrile composite material

The preparation method of transition metal sulfide / carbonized polyacrylonitrile composite material, which belongs to the technical field of material preparation, first transition metals and sulfur mixed with polyacrylonitrile after compression, and then the mixture sheet vacuum sealed in the quartz tube, the temperature environment is 600 to 1000 DEG C to react under the condition of 24 ~ 72 hours, made the transition metal sulfide / carbonized polyacrylonitrile composite materials. The method can be used to synthesize transition metal sulfides and obtain carbon materials, which is favorable for the binding of transition metal sulfides and carbon materials. In addition, the method is simple and easy to operate, suitable for mass production, and the requirement of equipment is closer to the demand of industrial application.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料制备
，特别是一种过渡金属硫化物/碳化聚丙烯腈（CPAN）复合材料的制备方法。
技术介绍
作为无机材料家族中的一员，过渡金属硫化物因其具有特殊的电学、光学、催化以及机械性能等，得到了人们广泛的关注和研究。特别是在储能领域，过度金属硫化物已被用作超级电容器和锂离子电池的电极材料。然而，大部分过渡金属硫化物为带隙较窄的半导体，在能源存储领域的应用受到了极大的限制。因此，通过将过渡金属硫化物与碳材料复合，来增加它的导电性能。此外，碳材料特殊的骨架结构还能够有效地缓冲过渡金属硫化物电极材料在电化学过程中的体积效应。研究者已经提出了多种制备过渡金属硫化物/CPAN复合材料的方法，其中包括多步骤高温固相法、静电纺丝法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法和高能球磨法等。在这些方法中，大多数都是分步制备。一般先合成出纯的过渡金属硫化物，然后再将其与高分子材料混合，碳化得到目标产物。此类方法步骤较多，而且不能够确保过渡金属硫化物与碳材料紧密地结合在一起。因此，为了提高过渡金属硫化物与碳材料结合的紧密性，研究者将纯的过渡金属硫化物的尺寸控制在纳米范围来提高过渡金属硫化物/CPAN复合材料的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种过渡金属硫化物/碳化聚丙烯腈复合材料的一步制备方法，以简化生产。本专利技术技术方案是：先将过渡金属单质和硫与聚丙烯腈混合后压片，然后再将片状混合物真空密封于石英管中，在温度环境为600～1000℃的条件下反应24～72小时，取得过渡金属硫化物/碳化聚丙烯腈复合材料。结合当前过渡金属硫化物的研究现状，本专利技术采用一步固相法制备过渡金属硫化物/CPAN复合材料，该方法能够在合成过渡金属硫化物的同时得到碳材料，有利于过渡金属硫化物与碳材料的紧密结合，从而提高其在应用领域的相关性能。此外，该方法简单易操作，适合大批量生产，对设备的要求更接近于工业化应用的需求。本专利技术工艺具有以下的优点：（1）制备方法简单易操作，制备周期短，能够实现大批量制备。固相制备方法更接近产业化。（2）获得的复合材料为纯相，并且产物中各元素分布均匀，说明过度金属硫化物与碳化后的聚丙烯腈很好地结合在一起。（3）本专利技术所使用的材料价格低廉、含量丰富、无毒、绿色环保，易于在工业上推广应用。进一步地，本专利技术在所述过渡金属单质和硫与聚丙烯腈混合时加入Se或Si。加入Si和Se是为了获得化合物Fe2SiS4和Fe2SSe，表明通过这种方法也可以获得三元相的过渡金属硫化合物。而只加入过渡金属单质和S、聚丙烯腈是为了获得二元相过渡金属硫化物。所述过渡金属单质为Fe。Fe元素在自然界中储量丰富、价格低廉、无毒以及对环境无污染。众所周知，过渡金属具有一定的共性，如铁、钴、镍、锰、铜。Fe可以，其它过渡金属元素也可以实现本专利技术。所述Fe、硫和聚丙烯腈的混合质量比为317.65∶182.35∶240。首先，该比例能够确保最终产物为纯的FeS，没有其他副产物生成。其次，该比例下制备出的复合材料具有最优的电化学性能。所述Fe、Se、硫和聚丙烯腈的混合质量比为250.76∶177.27∶71.98∶240。首先，该比例能够确保最终产物为纯的FeS，没有其他副产物生成。其次，该比例下的Fe2SSe与碳化后的聚丙烯腈能够充分的复合。所述Fe、Si、硫和聚丙烯腈的混合质量比为218.07∶219.34∶62.59∶240。首先，该比例能够确保最终产物为纯的FeS，没有其他副产物生成。其次，该比例下制备出的复合材料的电化学性能最佳。附图说明图1为本专利技术实施例1产物FeS/CPAN和标准FeS的XRD对比图。图2为本专利技术实施例2产物Fe2SSe/CPAN和标准Fe2SSe的XRD对比图。图3为本专利技术实施例3产物Fe2SiS4/CPAN和标准Fe2SiS4的XRD对比图。图4为实施例1取得的固相反应产物FeS/CPAN的元素分析（EDS）图。图5为实施例1取得的固相反应产物FeS/CPAN的C面分布图。图6为实施例1取得的固相反应产物FeS/CPAN的N面分布图。图7为实施例1取得的固相反应产物FeS/CPAN的Fe面分布图。图8为实施例1取得的固相反应产物FeS/CPAN的S面分布图。图9为实施例2取得的固相反应产物Fe2SSe/CPAN的元素分析（EDS）图。图10为实施例2取得的固相反应产物Fe2SSe/CPAN的C面分布图。图11为实施例2取得的固相反应产物Fe2SSe/CPAN的Se面分布图。图12为实施例2取得的固相反应产物Fe2SSe/CPAN的N面分布图。图13为实施例2取得的固相反应产物Fe2SSe/CPAN的Fe面分布图。图14为实施例2取得的固相反应产物Fe2SSe/CPAN的S面分布图。图15为实施例3取得的固相反应产物Fe2SiS4/CPAN的元素分析（EDS）图。图16为实施例3取得的固相反应产物Fe2SiS4/CPAN的S面分布图。图17为实施例3取得的固相反应产物Fe2SiS4/CPAN的Si面分布图。图18为实施例3取得的固相反应产物Fe2SiS4/CPAN的Fe面分布图。图19为实施例3取得的固相反应产物Fe2SiS4/CPAN的C面分布图。图20为实施例3取得的固相反应产物Fe2SiS4/CPAN的N面分布图。具体实施方式一、生产工艺：实施例1：称取总质量500 mg （Fe和S摩尔比为1∶1）的Fe/S混合物。称取240 mg PAN，充分研磨至较细粉末。将称量好的Fe/S混合物加入研磨好的PAN粉末中，再次研磨至混合均匀，使用压片机压片后真空封管。将封好管的样品放入马弗炉中，缓慢加热至600～1000℃并反应24～72小时。反应结束后打开石英管取出产物，研磨，取得固相反应产物FeS/CPAN。实施例2：将称取总质量500 mg ( Fe、Se和S摩尔比为2∶1∶1) 的Fe、Se以及S单质的混合物置于玛瑙研钵中，再称取研磨后240 mg的PAN，混合并研磨均匀，然后使用压片机压片，随后真空密封于石英管中。将封好样品的石英管放入马弗炉中，缓慢加热至600～1000℃并反应24～72小时。反应结束后打开石英管取出产物，研磨，取得固相反应产物Fe2SSe/CPAN。实施例3：称取总质量500 mg（Fe、Si、S摩尔比为2∶1∶4）的Fe/Si/S的混合物。称取240 mg PAN，充分研磨至较细粉末。将称量好的Fe/Si/S的混合物加入研磨好的PAN粉末中，研磨至混合均匀，经压片后真空封入石英管并转移至马弗炉，缓慢加热至600～1000℃并反应24～72小时。反应结束后打开石英管取出产物，研磨好，取得固相反应产物Fe2SiS4/CPAN的XRD。众所周知，过渡金属除Fe以外，还有与之具有一定的共性其它物质，如钴、镍、锰、铜。虽然以上各例中采用的过渡金属为Fe，但，可以预想Fe可以作为本专利技术的过渡金属，其它过渡金属元素也可以实现本专利技术。通过本文的三个实施例，可以很容易想到使用除Se或Si以外其它的类似原料也可以来合成相应的过渡金属硫化物。二、产物特性：图1是实施例1固相反应产物FeS/CPAN的XRD图。可见：反应得到FeS/CPAN的XRD图本文档来自技高网...

【技术保护点】
过渡金属硫化物/碳化聚丙烯腈复合材料的制备方法，其特征在于先将过渡金属单质和硫与聚丙烯腈混合后压片，然后再将片状混合物真空密封于石英管中，在温度环境为600～1000℃的条件下反应24～72小时，取得过渡金属硫化物/碳化聚丙烯腈复合材料。

【技术特征摘要】
1.过渡金属硫化物/碳化聚丙烯腈复合材料的制备方法，其特征在于先将过渡金属单质和硫与聚丙烯腈混合后压片，然后再将片状混合物真空密封于石英管中，在温度环境为600～1000℃的条件下反应24～72小时，取得过渡金属硫化物/碳化聚丙烯腈复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于在所述过渡金属单质和硫与聚丙烯腈混合时加入Se或Si。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所述过渡...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭胜平，李加闯，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32